《傳感器公開(kāi)課》課件

1、1熱釋電傳感器2一、紅外輻射所有高于絕對(duì)零度（273）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。輻射的紅外線波長(zhǎng)跟物體溫度有關(guān)。表面溫度越高,輻射能量越強(qiáng)。31、紅外光的基本特點(diǎn) （1）紅外光，其波長(zhǎng)從0.751000m。紅外光是太陽(yáng)光譜的一部分，其波長(zhǎng)范圍及在電磁波譜中的位置如圖所示。一、紅外輻射4（2）紅外光與電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。（3）紅外光在真空中的傳播速度為3108m/s。紅外光在介質(zhì)中傳播會(huì)產(chǎn)生衰減，在金屬中衰減很大。但能透過(guò)大部分半導(dǎo)體和一些塑料。大部分液體對(duì)紅外光吸收非常大，氣體對(duì)其吸收程度各不相同。 總的來(lái)說(shuō)，紅外線的穿透能力不強(qiáng)。一、紅外輻射5 (1)希爾霍夫定

2、律：處于同一溫度下的各種物體的輻射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)，即 M=dM0 M0 ，表示輻射本領(lǐng)，物體在單位時(shí)間內(nèi)單位面積輻射的能量 d吸收系數(shù) M0同一溫度下黑體的輻射本領(lǐng) (2)斯戒藩一玻耳茲曼定律： 物體溫度越高，其輻射的能量越多。M為某物體在絕對(duì)溫度T時(shí)單位面積和單位時(shí)間內(nèi)輻射的總能量，則: M=T4 其中斯戒藩一玻耳茲曼常數(shù)；為比輻射率，值1 2、基本定律6 (3)維思位移定律。物體熱輻射的能量包括各種波長(zhǎng)的電磁波。物體的峰值輻射波長(zhǎng)m與物體自身的絕對(duì)溫度T成反比，即 m 0.2987/T2.基本定律人體的正常體溫為3637.50C ，即309310.5K，其輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)為

3、m=2989/（309310.5） =9.67 9.64um，中心波長(zhǎng)為9.65um。 7二、熱釋電傳感器（PIR） 熱釋電紅外線傳感器是80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型高靈敏度探測(cè)元件，它能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)輸出。將這個(gè)電壓信號(hào)加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路，如作電源開(kāi)關(guān)控制、防盜防火報(bào)警、自動(dòng)檢測(cè)等。81、熱釋電效應(yīng):某些電介質(zhì)表面溫度變化時(shí),在這些電介質(zhì)的表面會(huì)產(chǎn)生電荷92、熱釋電元件:具有熱釋電效應(yīng)的介質(zhì)制成的元件用紅外熱釋電材料（鋯鈦酸鉛）制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極。鋯鈦酸鉛壓電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)當(dāng)其表面溫度升高t時(shí)，其晶體內(nèi)部的原子排

4、列將發(fā)生變化，誘出自發(fā)極化電荷Q設(shè)元件的電容為C，則元件兩電極間的輸出電壓 U Q/C必須指出的是：熱釋電元件產(chǎn)生的表面電荷不是永存的，它很快會(huì)因元件表面漏電及空氣中的各種離子中和。故：熱釋電元件只能測(cè)量溫度的變化量及強(qiáng)度周期變化的紅外線10上海產(chǎn)的SD02、PH5324，德國(guó)產(chǎn)的LH1954、LH1958，美國(guó)HAMAMATSU公司產(chǎn)P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。 目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的熱釋電人體紅外線傳感器主要有：雖然它們的型號(hào)不一樣，但其結(jié)構(gòu)、外型和電參數(shù)大致相同，大部分可以彼此互換使用。11123、熱釋電元件的結(jié)構(gòu)、組成與作用：A。熱釋電結(jié)構(gòu)

5、：13B。熱釋電元件的組成：敏感元件、場(chǎng)效應(yīng)管、高阻電阻、濾波片等， 并向殼內(nèi)充入氮?dú)夥庋b起來(lái)。14151）兩片熱釋電元件反向串聯(lián)，為什么？原因:消除溫度誤差 C。熱釋電元件的作用：162）濾光片：濾光片設(shè)置在窗口處， 組成紅外線通過(guò)的窗口？人體正常體溫時(shí)，輻射的最強(qiáng)的紅外線的中心波長(zhǎng)為9.65um,正好落在濾光窗的響應(yīng)波長(zhǎng)（714um）中心。防止可見(jiàn)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)（約5mm以下）的干擾。傳感器只對(duì)移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的人體、體溫近似人體的物體起作用。 原因？173）高阻放大器？原因:阻抗變換/放大信號(hào) 熱電元輸出的是電荷信號(hào)，并不能直接使用,因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式,該電阻阻抗高達(dá)104

6、，故引入的溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式即源極跟隨器來(lái)完成阻抗變換。18原因：表面電荷會(huì)中和、泄露，故只能測(cè)量變化的溫度和 強(qiáng)度周期變化的紅外光（動(dòng)態(tài)量）-遮光裝置 （非涅爾透鏡）。4）非涅爾透鏡：其作用：一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上；二是將檢測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號(hào)。不使用菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測(cè)半徑不足2米，配上菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測(cè)半徑可達(dá)到10米。194、菲涅爾鏡片的原理和應(yīng)用 20360度球形菲涅耳透鏡 1.5元 焦距：10.5 毫米角度：100 探測(cè)距離

7、：8米尺寸：23 體積：24*24*15毫米 超小型菲涅耳球型透鏡 1.9元 感應(yīng)角度：110度焦距：5 毫米角度：150度探測(cè)距離：3米 體積大小：頂部直徑12.5毫米， 最大邊緣13.5毫米， 高10毫米21鏡片主要有三種顏色 一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易變形。 二、白色主要用于適配外殼顏色。 三、黑色用于防強(qiáng)光干擾。鏡片還可以結(jié)合產(chǎn)品外觀注色，使產(chǎn)品整體更美觀。 一、外觀描述-外觀形狀（長(zhǎng)、方、圓）、尺寸（直徑）。以毫米為單位。鏡片主要參數(shù)：三、焦距-指鏡片與探頭窗口的距離，精確度以毫米的小數(shù)點(diǎn)為單位。長(zhǎng)形和方形鏡片要呈弧形以焦距為單位對(duì)準(zhǔn)探頭窗口。二、探測(cè)范圍-指鏡片能探

8、測(cè)的有效距離（米）和角度。2256*36毫米長(zhǎng)方形廣角菲涅耳透鏡 1元 56*36毫米長(zhǎng)方形幕簾菲涅耳透鏡 1元 焦距：25毫米探測(cè)距離：12米外形 ：56X36毫米 焦距：25毫米探測(cè)距離：12米外形：56X36毫米 23菲涅爾透鏡窄帶（視窗）的設(shè)計(jì)特點(diǎn)： 一般都是不均勻的，自上而下分為幾排，上面較多、下邊較少，一般中間密集、兩側(cè)疏。因?yàn)槿四槻?、膝部、手臂紅外輻射較強(qiáng)，正好對(duì)著上邊的透鏡；下邊較少。一是因?yàn)槿梭w下部紅外輻射較少；二是為防止地面小動(dòng)物紅外輻射干擾。原因？24 菲涅耳透鏡把紅外光線分成可見(jiàn)區(qū)和盲區(qū)，同時(shí)又有聚焦的作用，使熱釋電人體紅外傳感器(PIR)靈敏度大大增加。A。菲涅耳透鏡

9、的工作原理：25菲涅爾鏡片是根據(jù)法國(guó)光物理學(xué)家FRESNEL發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝和PE（聚乙烯）材料壓制而成。鏡片（0.5mm厚）表面刻錄了一圈圈由小到大，向外由淺至深的同心圓，從剖面看似鋸齒。圓環(huán)線多而密感應(yīng)角度大，焦距遠(yuǎn)；圓環(huán)線刻錄的深感應(yīng)距離遠(yuǎn)，焦距近。紅外光線越是靠進(jìn)同心環(huán)光線越集中而且越強(qiáng)。同一行的數(shù)個(gè)同心環(huán)組成一個(gè)垂直感應(yīng)區(qū)，同心環(huán)之間組成一個(gè)水平感應(yīng)段。垂直感應(yīng)區(qū)越多垂直感應(yīng)角度越大；鏡片越長(zhǎng)感應(yīng)段越多水平感應(yīng)角度就越大。區(qū)段數(shù)量多被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就小，區(qū)段數(shù)量少被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就要大。不同區(qū)的同心圓之間相互交錯(cuò)，減少區(qū)段之間的盲區(qū)。區(qū)與區(qū)之間，段與段之間，區(qū)段之間形成

10、盲區(qū)。由于鏡片受到紅外探頭視場(chǎng)角度的制約，垂直和水平感應(yīng)角度有限，鏡片面積也有限。鏡片從外觀分類(lèi)為：長(zhǎng)形、方形、圓形，從功能分類(lèi)為：?jiǎn)螀^(qū)多段、雙區(qū)多段、多區(qū)多段。 26下圖是常用鏡片外觀示意圖： 27下圖是常用三區(qū)多段鏡片區(qū)段劃分、垂直和平面感應(yīng)圖。 當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)范圍，人體釋放的紅外光透過(guò)鏡片被聚集在遠(yuǎn)距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個(gè)段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個(gè)適當(dāng)?shù)慕咕?，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號(hào)變成電信號(hào)送入電子電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。整個(gè)接收人體紅外光的方式也被稱(chēng)為被動(dòng)式紅外活動(dòng)目標(biāo)探測(cè)器。285、熱釋電傳感器的安裝要求： 紅外線熱釋電人體傳感器只能安裝在室內(nèi)，其誤報(bào)率

11、與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系.。正確的安裝應(yīng)滿(mǎn)足下列條件： 1。紅外線熱釋電傳感器應(yīng)離地面2.0-2.2米。 2。紅外線熱釋電傳感器遠(yuǎn)離空調(diào), 冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。 3。紅外線熱釋電傳感器探測(cè)范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。 4。紅外線熱釋電傳感器不要直對(duì)窗口，否則窗外的熱氣流擾動(dòng)和人員走動(dòng)會(huì)引起誤報(bào)，有條件的最好把窗簾拉上。紅外線熱釋電傳感器也不要安裝在有強(qiáng)氣流活動(dòng)的地方。 29紅外線熱釋電傳感器對(duì)人體的敏感程度人的運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系很大。紅外線熱釋電傳感器對(duì)于徑向移動(dòng)反應(yīng)最不敏感, 而對(duì)于橫切方向 (即與半徑垂直的方向)移動(dòng)則最為敏感. 。 在現(xiàn)場(chǎng)選擇合適的安裝位置

12、是避免紅外探頭誤報(bào)、求得最佳檢測(cè)靈敏度極為重要的一環(huán)30三、熱釋電紅外感應(yīng)模塊的應(yīng)用311、紅外熱釋電處理芯片BISS0001 BISS0001是一款高性能的傳感信號(hào)處理集成電路。 32工作原理BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈?zhuān)用集成電路。 33首先，根據(jù)實(shí)際需要，利用運(yùn)算放大器OP1組成傳感信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大。然后耦合給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二級(jí)放大，同時(shí)將直流電位抬高為VM(0.5VDD)后，將輸出信號(hào)V2送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs。由于VH0.7VDD、VL0.3

13、VDD，所以，當(dāng)VDD=5V時(shí)，可有效抑制1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 COP3是一個(gè)條件比較器。當(dāng)輸入電壓VcVR時(shí)，COP3輸出為高電平，進(jìn)入延時(shí)周期。 當(dāng)A端接“0”電平時(shí)，在Tx時(shí)間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直至Tx時(shí)間結(jié)束，即所謂不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。當(dāng)Tx時(shí)間結(jié)束時(shí)，Vo下跳回低電平，同時(shí)啟動(dòng)封鎖時(shí)間定時(shí)器而進(jìn)入封鎖周期Ti。在Ti時(shí)間內(nèi)，任何V2的變化都不能使Vo跳變?yōu)橛行顟B(tài)（高電平）,可有效抑制負(fù)載切換過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾。34可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期間，信號(hào)Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Vc=“1”、A=“1”時(shí)，Vs可重復(fù)觸發(fā)Vo為有效

14、狀態(tài)，并可促使Vo在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。 在Tx時(shí)間內(nèi)，只要Vs發(fā)生上跳變，則Vo將從Vs上跳變時(shí)刻起繼續(xù)延長(zhǎng)一個(gè)Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結(jié)束后Vo恢復(fù)為無(wú)效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時(shí)間Ti時(shí)間內(nèi)，任何Vs的變化都不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。 35管腳說(shuō)明引腳名稱(chēng)I/O功能說(shuō)明1AI可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端。當(dāng)A為“1”時(shí)，允許重復(fù)觸發(fā)；反之，不可重復(fù)觸發(fā)2VOO控制信號(hào)輸出端。由VS的上跳變沿觸發(fā)，使Vo輸出從低電平跳變到高電平時(shí)視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時(shí)間Tx之外和無(wú)VS的上跳變時(shí)，Vo保持低電平狀態(tài)。3RR1-

15、輸出延遲時(shí)間Tx的調(diào)節(jié)端4RC1-輸出延遲時(shí)間Tx的調(diào)節(jié)端5RC2-觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti的調(diào)節(jié)端6RR2-觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti的調(diào)節(jié)端7VSS-工作電源負(fù)端8VRFI參考電壓及復(fù)位輸入端。通常接VDD，當(dāng)接“0”時(shí)可使定時(shí)器復(fù)位9VCI觸發(fā)禁止端。當(dāng)VcVR時(shí)允許觸發(fā)(VR0.2VDD)10IB-運(yùn)算放大器偏置電流設(shè)置端11VDD-工作電源正端122OUTO第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端132IN-I第二級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端141IN+I第一級(jí)運(yùn)算放大器的同相輸入端151IN-I第一級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端161OUTO第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端36R3為光敏電阻，用來(lái)檢測(cè)環(huán)境照度。當(dāng)作為照明控制時(shí)，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會(huì)降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而